專利名稱：用于法蘭連接的密封墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于法蘭連接的帶有卷邊的密封墊，它的泄漏率低于在“保持空氣清潔的技術(shù)說明”中規(guī)定的極限值。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)例如化學(xué)工業(yè)的管道和設(shè)備中以及發(fā)電廠和供暖設(shè)備的蒸汽管道中，使用由石墨薄層或含有石墨薄層的層復(fù)合材料制成的密封墊。通過石墨添加化合物的熱膨脹，和緊接著壓縮通過膨脹得到的手風(fēng)琴風(fēng)箱狀的顆粒制造石墨薄層。這些顆粒在壓力下被壓縮時(shí)互相嚙合，因此不用添加粘接劑就能制成穩(wěn)定、柔性的如薄片或板的平面形結(jié)構(gòu)物。石墨薄層的特點(diǎn)在于，對(duì)高溫和腐蝕性介質(zhì)的穩(wěn)定性，對(duì)液體的相對(duì)小的滲透性，高的可壓縮性，好的回彈性能和在壓力下非常小的泄漏傾向。這些特點(diǎn)使石墨薄層適合用作密封材料。
通過在兩層石墨薄層之間置入由金屬(薄板或薄片)制成的加強(qiáng)夾層，能夠增強(qiáng)由石墨制成的密封墊的機(jī)械穩(wěn)定性。因此對(duì)于按現(xiàn)有技術(shù)的密封墊大多使用總厚度1至4mm的、由多層只有數(shù)百μm、其間嵌入金屬夾層的強(qiáng)化石墨制成的層復(fù)合材料。
由歐洲專利EP0616884已知一種由多層交替的金屬層和石墨層制造層復(fù)合材料的方法。在金屬層和石墨層之間形成一種不會(huì)松開的無粘接材料的連接，其中一層選自于有機(jī)硅化合物、全氟化化合物或金屬皂的材料組的界面活性物質(zhì)、以薄層形式至少涂覆在至少一個(gè)待粘接的表面上，接著使各層待粘接的表面接觸，并且在壓力和熱作用下相互連接。
在該專利文件的實(shí)施例4中，描述了一種這樣的層復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)。這種層復(fù)合材料由四層各層厚度為0.25mm的石墨薄層和三層每層都嵌于兩層石墨薄層之間的厚度分別為0.05mm的薄鋁板構(gòu)成，以便產(chǎn)生層相互交替的結(jié)果。
當(dāng)圓環(huán)形密封墊的內(nèi)或/外圓周通過卷邊1被圍住時(shí)，法蘭連接的這種層復(fù)合材料-密封墊的泄漏率能明顯地變小。在圖1中示出了一種這樣的密封墊橫截面，包括四層相同厚度的石墨薄層3′、3″、3和3″″以及嵌于每?jī)蓪邮又g的金屬薄片2’、2”和2。卷邊1包圍著層復(fù)合材料的所有層。卷邊的作用是阻止擴(kuò)散。石墨被卷邊特別強(qiáng)烈地壓縮，這樣在卷邊1和外石墨層3′或3之間實(shí)現(xiàn)液體的進(jìn)一步密封。
根據(jù)這個(gè)原理制造的滿足液體密封高要求的密封墊，例如可以買到名稱為SIGRAFLEX Hochdruck的產(chǎn)品(參看SGL CARBON集團(tuán)的SIGRAFLEX Hochdruck公司的商品說明書)。這種密封墊由多層相同厚度的相互堆疊在一起的石墨薄層構(gòu)成，在各石墨薄層之間嵌入由金屬薄片構(gòu)成的加強(qiáng)夾層。典型的圓環(huán)形密封體的內(nèi)或/和外圓周被一個(gè)卷邊包圍，這個(gè)卷邊圍夾住層復(fù)合材料的所有層。例如對(duì)于在歐洲通用的標(biāo)準(zhǔn)-法蘭連接中的密封，厚度為2mm的密封墊由四層每層厚度為0.5mm的、其間嵌有三層厚度為0.05mm的不銹鋼薄片的石墨薄層構(gòu)成。這種密封墊裝有不銹鋼卷邊。由這種總共七層的層復(fù)合材料制成的密封墊的透氣率是0.9*10-5kPa*l/(s*m)(按照VDI-規(guī)程2440測(cè)量)，這是非常小的。這個(gè)泄漏率低于凈化空氣的技術(shù)指導(dǎo)(TA Luft)在24.7.2002為法蘭連接規(guī)定的極限值10-5kPa*l/(s*m)。通過按照VDI-規(guī)程2440檢測(cè)，也就是說在室溫下借助氦質(zhì)譜分析器在1bar的氦-壓差和30Mpa的單位面積壓力下進(jìn)行泄漏測(cè)量，證明符合這個(gè)極限值。
也已知有按照上述原理制造的厚度較厚的密封墊。例如一種厚度為4mm的密封墊包括八層相同厚度的石墨薄層和七層嵌于其間的金屬薄片，也就是說，層復(fù)合材料總共包括15層。
由于設(shè)備工作和運(yùn)行安全性與環(huán)境保護(hù)的原因，特別是與在2002年新通過的TA Luft的實(shí)施有關(guān)，在工業(yè)中存在著對(duì)能保持低泄漏率的密封墊的越來越大的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于法蘭連接的密封墊，這種密封墊具有相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)改善的構(gòu)造，也就是說，在滿足TA Luft要求的不變厚度的情況下，具有減少的高純低灰的石墨薄層的份額或/和減少的金屬夾層的數(shù)量，也就是說，在單位面積壓力為30Mpa和氦-壓差為1bar時(shí)，泄漏率低于10-5kPa*l/(s*m)。
這個(gè)目的通過在獨(dú)立權(quán)利要求中所述的密封墊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。各從屬權(quán)利要求給出按照本發(fā)明的密封墊的其他有利特征和實(shí)施形式。


由下面的說明、附圖和實(shí)施例得出按照本發(fā)明的密封墊的其他特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中圖1 按照現(xiàn)有技術(shù)帶有卷邊的法蘭密封墊的橫截面；圖2 帶有卷邊的法蘭密封墊的橫截面；圖3 按照本發(fā)明帶有卷邊的法蘭密封墊的另一種實(shí)施形式的橫截面。
具體實(shí)施例方式
圖2表示按照本發(fā)明的密封墊的橫截面。按照本發(fā)明的密封墊有一個(gè)由至少一層石墨薄層構(gòu)成的厚的平面形耐壓的內(nèi)部中心部分5，它嵌在兩層沒有開孔的金屬薄片2’、2”之間。金屬薄片背離中心部分的表面用由石墨薄層構(gòu)成的與中心部分相比薄的覆蓋層4’、4”覆蓋。典型的圓環(huán)形密封體的與待密封空腔鄰接的內(nèi)圓周被一個(gè)卷邊1包圍。卷邊1包住組成密封墊的所有各層層復(fù)合材料。除內(nèi)卷邊外，也可以設(shè)有一個(gè)外卷邊(在圖2中未畫出)。通過附加的外卷邊提高密封墊的吹出安全性。
對(duì)于按照本發(fā)明的密封墊功能決定性的是，形成覆蓋層的石墨薄層的單位面積重量與形成中心部分的石墨薄層的單位面積重量的比在1∶3和1∶7之間。單位面積重量(單位為g/m2)是石墨薄層的厚度(單位為m)和密度(單位為g/m3)的乘積。各層的單位面積重量根據(jù)這些層在按照本發(fā)明的層復(fù)合中所擔(dān)負(fù)的不同功能來選擇。
由石墨薄層構(gòu)成的外覆蓋層的功能在于，與法蘭密封墊地匹配并且與卷邊形成一個(gè)液體密封的終端，這樣盡可能地防止泄漏路徑的形成。位于卷邊下面的覆蓋層區(qū)域被非常強(qiáng)烈地?cái)D壓，使得在該區(qū)域的石墨透液性明顯減小。覆蓋層石墨薄層的單位面積重量越小，則泄漏率越低。因此，用于按照本發(fā)明密封墊的覆蓋層的石墨薄層的單位面積重量最高為350g/m2，并且最好是150到250g/m2。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可以制造出密度最小為0.7g/cm3的石墨薄層，因此在最大單位面積重量為350g/m2時(shí)得出覆蓋層的最大厚度為0.5mm。然而值得追求的是，使石墨覆蓋層盡可能的薄，從而使?jié)B入的顆粒盡可能快地撞擊到作為一個(gè)難于通過的擴(kuò)散隔膜的金屬薄片上。因此在特別優(yōu)先的實(shí)施形式中，覆蓋層的厚度在0.15和0.35mm之間。覆蓋層的最小厚度由它的功能決定，與法蘭密封墊地匹配并補(bǔ)償法蘭的粗糙度。鋼制法蘭的一般粗糙度最大為Rz＝80到90μm。因此最小厚度為0.15mm的覆蓋層足以補(bǔ)償法蘭表面的粗糙度。
外覆蓋層與流過待密封空間的介質(zhì)接觸，因此它們必須用特別純的并從而化學(xué)穩(wěn)定的、灰值(Aschewert，按照DIN51903確定)最高為1％(相應(yīng)于石墨質(zhì)量含量至少為99％)的石墨薄層制造。此外，在覆蓋層中使用高純度低灰的石墨薄層對(duì)減小由于污染腐蝕法蘭的危險(xiǎn)是必要的。由于覆蓋層必須用特別純的石墨薄層制造，也由于經(jīng)濟(jì)上的原因與中心部分相比減少覆蓋層的厚度是有利的。
在按照本發(fā)明的層復(fù)合中中心部分的功能在于，滿足密封墊的機(jī)械要求，也就是說，保證足夠的可壓縮性和回彈，以及給予密封墊對(duì)于填滿法蘭之間空間的必要厚度。當(dāng)密封墊中心部分的石墨薄層單位面積重量不超過1500g/m2時(shí)，可以得到足夠的中心部分抗壓強(qiáng)度。對(duì)于中心部分最好使用單位面積重量在600和1200g/m2之間以及密度在0.7和1.3g/cm3之間的石墨薄層。
按照本發(fā)明密封墊的中心部分5不與流過待密封空間的介質(zhì)接觸，因?yàn)樗谋砻姹唤饘俦∑?’、2”封閉，并且它的向著待密封空間的邊緣被卷邊1封閉。因此，對(duì)石墨中心部分5在不透性和化學(xué)穩(wěn)定性方面不必提出高的要求。這樣，中心部分可以經(jīng)濟(jì)地用與覆蓋層使用的薄膜相比純度較低的石墨薄層制造，但符合密封墊的機(jī)械要求。石墨含量＞96％，也就是說，質(zhì)量方面的灰值＜4％的石墨薄層是合適的。
對(duì)中心部分不透性的較低要求使得，在按照本發(fā)明的層復(fù)合內(nèi)部能夠存在一個(gè)不帶附加的由金屬構(gòu)成的擴(kuò)散隔膜的相對(duì)厚的石墨層。中心部分厚度取決于法蘭連接密封所需要的密封墊總厚度。對(duì)于在歐洲通常使用的法蘭連接，通常需要厚度為2mm的密封墊，對(duì)于在美國(guó)通常使用的法蘭連接密封墊的厚度為1.6mm。
中心部分厚于1.5mm的密封墊可以按照本發(fā)明特別有利地構(gòu)成，其中，中心部分由至少兩層單位面積重量分別最多為1500g/m2的石墨薄層構(gòu)成，在各層石墨薄層之間分別嵌入一層金屬夾層。嵌于中心部分各石墨薄層之間的金屬夾層可以由插入式薄板(Spiessblech)或拉制金屬板構(gòu)成，因?yàn)樗仨毑荒茏鳛閿U(kuò)散隔膜，由于中心部分在其兩個(gè)表面和卷邊處被金屬薄片完全包住。嵌于中心部分石墨薄層層之間的金屬夾層的概念應(yīng)該理解為，不僅是沒有開孔的金屬薄片而且是插入式薄板或拉制金屬板。
對(duì)于按照本發(fā)明包括具有多層石墨薄層的中心部分的密封墊的功能決定性的也在于，形成覆蓋層的石墨薄層的單位面積重量小于350g/m2，形成中心部分各層的石墨薄層的單位面積重量小于1500g/m2，以及形成覆蓋層的石墨薄層的單位面積重量與形成中心部分各層的石墨薄層的單位面積重量的比在1∶3和1∶7之間。
例如一種按照本發(fā)明4mm厚的密封墊具有以下的層結(jié)構(gòu)一層由0.25mm厚的石墨薄層形成的覆蓋層4′、一層作為擴(kuò)散隔膜的0.05mm厚的金屬薄片2′、一個(gè)包括三層各1.1mm厚的石墨薄層的中心部分，在這些石墨薄層之間嵌入用于加固的金屬薄片、厚度為0.05mm的插入式薄板或拉制金屬板6’、6”、另一層作為擴(kuò)散隔膜的0.05mm厚的金屬薄片2″和一層由0.25mm厚的石墨薄層形成的覆蓋層4″。中心部分中和覆蓋層4’、4”中的石墨薄層5′、5″、5的密度都分別是1g/cm3。圖3表示這種層結(jié)構(gòu)橫截面的示意圖，在中心部分5的石墨薄層5’、5”、5之間嵌入金屬薄片6’、6”。所有層都被卷邊1包圍。
在按照本發(fā)明的層復(fù)合材料的各覆蓋層和中心部分之間，一方面對(duì)與卷邊和法蘭共同作用的液體的介質(zhì)穩(wěn)定性和密封的功能的分離，以及另一方面可壓縮性、回彈性能和充滿空間的功能的分離，使得能夠降低高純低灰的石墨的份額，并且減少與石墨層厚度有關(guān)的作為擴(kuò)散隔膜所需要的金屬中間層的數(shù)量，而不會(huì)提高密封墊的泄漏率。
除了作為內(nèi)部擴(kuò)散隔膜的作用外，嵌入中心部分和覆蓋層之間的金屬薄片的功能還在于，機(jī)械地加強(qiáng)層復(fù)合材料。一般使用由不銹鋼、鋼、鐵、鋁、鎳、銅、鈦或鋅或者由鎳、銅、鋁或鋅構(gòu)成的合金制成的金屬薄片或金屬片。金屬夾層的厚度在0.02和1mm之間，最好是0.02到0.2mm。
在使用多層式中心部分時(shí)，在中心部分中位于各層石墨薄層5′、5″...之間的金屬夾層6’、6”...可以由插入式薄板或拉制金屬板構(gòu)成，因?yàn)樗鼈儾槐赜米鳛閿U(kuò)散隔膜。對(duì)于按照本發(fā)明密封墊的功能決定性的是，平面形的、必要時(shí)多層的中心部分的兩個(gè)表面被沒有開孔的、用作為擴(kuò)散隔膜的金屬薄片2’、2”覆蓋。
通過石墨添加化合物例如石墨鹽類，諸如石墨硫酸氫鹽和石墨硝酸鹽的熱膨脹，以及接著不添加粘接劑在壓力作用下把這些膨脹產(chǎn)物壓縮成片狀結(jié)構(gòu)，以已知的方式制造用于按照本發(fā)明密封墊的中心部分和覆蓋層的石墨薄層。
優(yōu)選按照EP0616884B中描述的方法制造按本發(fā)明的層復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，為了在各層之間產(chǎn)生不會(huì)松開的粘接，不需要傳統(tǒng)的經(jīng)受老化、軟化和/或化學(xué)或熱分解的粘接劑。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粘接劑，為了連接金屬薄膜和石墨薄層，使用由界面活性物質(zhì)、例如有機(jī)硅化合物、金屬皂或全氟化化合物組成的組的增加附著力物質(zhì)。在涂層的面在壓力和高溫下作用與待粘接的面接觸時(shí)，這在特別薄的涂覆層，也就是說只有幾個(gè)nm的層厚時(shí)，在要相互粘接的金屬表面和石墨表面上形成一個(gè)不會(huì)松開的連接。
如果密封墊的使用條件允許，作為選擇也可以通過用已知的粘接劑使各層相互粘接來制造按照本發(fā)明的層復(fù)合材料。
中心部分的石墨薄層和位于其間的插入式薄板之間的連接，可以用已知的方式通過壓制來形成，使插入式薄板突出的表面結(jié)構(gòu)擠進(jìn)石墨薄層內(nèi)或/和使石墨擠進(jìn)插入式薄板的開孔內(nèi)。
如果外覆蓋層以已知的方式用樹脂浸漬，外覆蓋層相對(duì)于液體的密封性還能進(jìn)一步改善。適用的浸漬劑是例如在固化催化劑作用下濃縮成呋喃樹脂的糠醇，酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂。
對(duì)按照本發(fā)明的層復(fù)合材料的內(nèi)圓周和必要時(shí)也對(duì)外圓周的卷邊按照已知的方法進(jìn)行。通常用于法蘭連接的密封墊的卷邊用厚度為0.15到0.2mm的不銹鋼制造。然而已經(jīng)確定，由用上述層復(fù)合材料制成的帶有厚度為0.1mm的卷邊的密封墊具有特別低的泄漏率。對(duì)于按照本發(fā)明的密封墊合適的卷邊材料是鉻-鎳-鋼、鎳、含有鎳的合金、銅和鋁。
例子按照VDI-準(zhǔn)則2440檢測(cè)一個(gè)具有在表1中說明的結(jié)構(gòu)和用不銹鋼(材料編號(hào)14401)制造的0.1mm厚的內(nèi)卷邊的密封墊的泄漏率。
表1

為了測(cè)量，把密封墊用平的密封條夾緊在DIN-法蘭DN40 PN40之間。密封條的粗糙深度為Ra≤6.3μm。用一個(gè)導(dǎo)致30MPa單位面積壓力的力旋緊螺栓。在裝配后把張緊的法蘭包放在一個(gè)爐子中，在300℃下時(shí)效處理48小時(shí)。冷卻后在1bar的氦-壓差下、用氦-檢漏器(質(zhì)譜分析器)測(cè)量絕對(duì)泄漏率。為了測(cè)得比泄漏率，使用實(shí)際處于壓力下的密封面的平均圓周。
對(duì)于按照本發(fā)明的密封墊，比泄漏率為0.95*10-5kPa*l(/s*m)。因此按照本發(fā)明的密封墊低于TA Luft規(guī)定的極限值1*10-5kPa*l(/s*m)。
附圖標(biāo)記清單1 卷邊2’、2”、2 金屬薄片3’、3”、3、3”” 石墨薄層4’、4” 由石墨薄層形成的覆蓋層5 中心部分5’、5”、5 中心部分內(nèi)的石墨薄層層6’、6”中心部分內(nèi)的金屬薄片
權(quán)利要求
1.用于法蘭連接的密封墊，它具有一種層復(fù)合材料，該層復(fù)合材料包括一個(gè)平面形的嵌在兩層金屬薄片(2’、2”)之間的中心部分(5)，該中心部分由一層單位面積重量最高為1500g/m2的石墨薄層或多層單位面積重量最高分別為1500g/m2的石墨薄層(5’、5”…)交替地與各金屬夾層(6’、6”…)構(gòu)成，還包括兩層外覆蓋層(4’、4”)，它們由單位面積重量最高分別為350g/m2的石墨薄層構(gòu)成并且覆蓋背向中心部分的金屬薄片(2’、2”)的表面，以及還包括一個(gè)包圍層復(fù)合材料的所有層的內(nèi)卷邊(1)，其特征在于，所述覆蓋層的石墨薄層的單位面積重量與中心部分的石墨薄層的單位面積重量之比在1∶3和1∶7之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的密封墊，其特征在于，嵌在形成中心部分(5)的各層石墨薄層(5’、5”…)之間的金屬夾層(6’、6”…)設(shè)計(jì)為插入式薄板或拉制金屬板。
3.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄層的單位面積重量為500到1200g/m2，形成覆蓋層(4’、4”)的石墨薄層的單位面積重量為150到250g/m2。
4.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄層的質(zhì)量灰值最高為4％，形成覆蓋層(4’、4”)的石墨薄層的質(zhì)量灰值最高為1％。
5.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，形成覆蓋層(4’、4”)的石墨薄層的質(zhì)量灰值最高為0.15％。
6.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄層的質(zhì)量灰值最高為2％。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，嵌在各覆蓋層(4’、4”)和中心部分(5)之間的金屬薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄層(5’、5”…)之間的金屬薄片、插入式薄板或拉制金屬板(6’、6”…)最厚為1mm。
8.按照權(quán)利要求1至7之一所述的密封墊，其特征在于，嵌在各覆蓋層(4’、4”)和中心部分(5)之間的金屬薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄層(5′、5″…)之間的金屬薄片、插入式薄板或拉制金屬板(6’、6”…)的厚度為0.02到0.2mm。
9.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，嵌在各覆蓋層(4’、4”)和中心部分(5)之間的金屬薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄層(5′、5″…)之間的金屬薄片、插入式薄板或拉制金屬板(6’、6”…)由選自于包括不銹鋼、鋼、鐵、鋁、鎳、銅、鈦或鋅或者由鎳、銅、鋁或鋅組成的合金的材料組的材料制成。
10.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，所述金屬薄片與石墨薄層通過一種選自于有機(jī)硅化合物、金屬皂或全氟化化合物組的界面活性的增加附著力物質(zhì)或者通過一種粘接劑連接。
11.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，所述由石墨薄層構(gòu)成的各覆蓋層(4’、4”)用呋喃樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或丙烯酸樹脂浸漬。
12.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，通過一個(gè)包圍層復(fù)合材料所有層的外卷邊包住密封墊的外圓周。
13.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，所述卷邊的厚度最大為0.2mm。
14.按照權(quán)利要求1至13之一所述的密封墊，其特征在于，所述卷邊的厚度最大為0.1mm。
15.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，所述卷邊由一種選自于鉻-鎳-鋼、鎳、鎳合金、鋁或銅材料組的材料制成。
16.按照上述權(quán)利要求之一所述的密封墊，其特征在于，按照VDI-準(zhǔn)則2440測(cè)量的密封墊的泄漏率小于或等于10-5kPa*1(s*m)。
全文摘要
泄漏率低于TA Luft極限值的用于法蘭連接的法蘭密封墊，包括一個(gè)嵌于兩層金屬薄片之間的厚的平面形耐壓的中心部分，它由至少一層單位面積重量最大為1500g/m
文檔編號(hào)F16L23/00GK1540195SQ200410032518
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月8日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ぶZ特, 阿洛伊斯·鮑曼, 奧斯文·奧廷格, ?？啤とR因菲爾德, 馬丁·賴因塔勒, 西爾維婭·梅申, 于爾根·巴赫爾, 奧廷格, 巴赫爾, 婭 梅申, 斯 鮑曼, 沃爾夫?qū)?諾特, 萊因菲爾德, 賴因塔勒 申請(qǐng)人:Sgl碳股份公司